Giáo trình Phần tử tự động - Phần 1 Các bộ cảm biến - Chương 2 ppt

ĐH Bách Khoa Hà Nội 18 Chng 2 – CÁC B CM BIN §1. Cm Bin Quang in Cm bin quang in là các linh kin quang in bin i trng thái in khi có ánh sáng thích hp tác ng vào b mt ca nó. Tín hiu vào là ánh sáng, tín hiu ra tín hiu in. 1. Tính cht c bn ca ánh sáng : - Ánh sáng có 2 tính cht c bn là tính sóng và tính ht. - Dng sóng ca ánh sáng là sóng in t c lan truyn trong chân không vi vn tc rt ln (3.10 8 m/s) + Ánh sáng có tính cht sóng nên khi dòng ánh sáng xuyên qua 1 cht nào ó có th b hp th hoc tán x làm cho cng  tia sáng gim. + Ánh sáng có tính cht ht : th hin qua s tng tác vi vt cht, ánh sáng gm các ht photon có nng lng rt nh. Do trong vt cht các in t có xu hng gii phóng khi phân t thành các in t t do nên cn cp cho nó mt nng lng  ln  thoát khi lc liên kt. Khi 1 photon c hp th s có 1 in t c gii phóng gây nên hin tng gii phóng in t. Hin tng gii phóng in tích di tác dng ca ánh sáng do hiu ng quang in gây nên. ó là ni dung c bn ca các nh lut quang in. 2. Ngun sáng : 3 dng - èn si t : là mt bóng thy tinh cha khí him và si t bng vonfram. + u im : thông lng ln, di ph tn rng và có th bin i c + Nhc im : quán tính ln, tui th thp - èn LED (iot phát quang) : ây là ngun sáng bán dn, nng lng c gii phóng do s tái hp in t, l trng  vùng chuyn tip p-n làm phát sinh các photon. + u im : quán tính nh, có kh nng iu bin tn s cao,  tin cy cao, tui th cao + Nhc im : thông lng nh, d nhy vi nhit . - Lazer : là ngun sáng n sc có  chói ln rt nh hng và tính liên kt mnh. Da trên hin tng khuch i ánh sáng bng bc x kích thích. + u im : Bc sóng n sc hoàn toàn xác nh. Thông lng ln, chùm tia mnh,  nh hng cao và truyn i xa. 3. T bào quang dn : - T bào quang in là mt quang in tr có cu to gm 1 khi bán dn c t trong mt ng thy tinh. ĐH Bách Khoa Hà Nội 19 Hình 3 - Nguyên lý làm vic : da vào hin tng gii phóng ht mang in trong vt liu bán dn di tác dng ca ánh sáng. Kh nng dn in ca vt liu bán dn tng. - Có  nhy cao. - Vt liu ch to là các bán dn a tinh th ng nht. 4. Photo diot : Hình 4 U d = 0 → I ht = 0 Khi U d  0 thì I ht ca ht c bn gim I ht ht dn không c bn tng chính I r = I o Khi chiu ánh sáng có bc sóng λ < λ o (bc sóng ngng) thì xut hin các cp in t - l trng di tác dng ca in trng u, di chuyn theo hng chuyn ng ca các ht không c bn làm cho dòng ngc I r tng, dn n U Rm tng. T ó xác nh c quang thông φ Φ I r R m U d ĐH Bách Khoa Hà Nội 20 5. Photo tranzitor : - tranzitor : có cc baz c chiu sáng và không có in áp dt trên ó. Hình 5a Hình 5b - Có th coi là mt t hp ca 1 photo diot và 1 tranzitor. §2. Cm Bin Phát X Cm bin phát x là s bin i tín hiu quang thành tín hiu in c thc hin nh hin tng phát x quang in. S in t phát x khi b mt không t l vi quang thông chiu vào nó. 1. T bào quang in chân không : Hình 1a - Cu to : gm 1 bóng thy tinh c hút chân không có t anot và catot. ( p = 10 -6 ÷ 10 -8 mmHg ) ĐH Bách Khoa Hà Nội 21 Hình 1b Hình 1c - Nguyên lý : di tác dng ca ánh sáng chiu vào b mt kim loi làm cho các in t t do ca kim loi c gii phóng to nên dòng I a. Dòng này ph thuc thông lng ánh sáng. 2. T bào quang in cht khí : - Cu to : ging t bào quang in chân không ch khác bên trong có khí tr (Acgông) - Nguyên lý : di tác dng ca U AC ln các in t chuyn ng mnh trong cht khí. Chúng va chm vào các phân t khí gây nên ion hóa cht khí làm cho dòng I a tng. 3. ng dng ca cm bin quang in : - Thng c s dng khi mt khóa chuyn mch dùng  óng ngt mch in 0,1lm 0,05lm 0,02 lm 1 2 4 I a U ac ( mV ) φ A I E R n Led Φ E ĐH Bách Khoa Hà Nội 22 - Trng thái làm vic ca m bin ph thuc quang thông èn LED gi ti. ĐH Bách Khoa Hà Nội 23 §3. Cm Bin Nhit  -  o nhit  trong h thng t ng có nhiu bin pháp khác nhau. Trên c s ó ngi ta s dng các b cm bin nhit  vi nguyên lý làm vic khác nhau. VD : nhit in tr, nhit ngu, quang… 1. Thang o nhit  : c xác nh t các nh lut nhit ng a. Thang nhit  nhit ng tuyt i : Thang Kenvin ( 0 K) là nhit  cân bng ca im cân bng 3 trng thái nc, nc á và hi. b. Thang Celcius : thang nhit  bách phân ( 0 C) 15.273)C(t)K(T 00 += c. Thang Farenheit : [ ] 32)C(T. 5 9 )F(T 2 5 .32)C(T)C(T 00 00 += −= 2. Cm bin nhit in tr : - Cm bin nhit in tr là cm bin có in tr bin i theo nhit  - Kim loi in tr bin i theo nhit , th hin qua  (h s nhit in tr) - Phân loi : 3 loi + Cm bin nhit in tr kim loi + Cm bin nhit in tr bán dn + Nhit in tr a. Cm bin nhit in tr kim loi Có 2 loi : - Dây kim loi : gm mt si dây kim loi c dán trên bìa cách in. Vt liu thng dùng là Pt, Ni, W, Cu. Khong nhit  o c : Pt (200 0 C ÷ 1200 0 C) Ni (-190 0 C ÷ 250 0 C) Cu (-50 0 C ÷ 180 0 C) )1(RR 0 αθ+= θ khi nhit   tng thì dn n R tng theo. Qua R o c ta xác nh c nhit  qua công thc trên.  cm bin có  nhy cao ta phi chn kim loi có in tr sut () ln q l .R ρ= khi R tng thì l tng, q gim in tr R càng ln thì  nhy càng cao và di o càng hp. - Màng mng : dùng  o nhit d trên b mt vt rn. Khi o ngi ta dán màng mng lên b mt vt cn o (mng c µm) ĐH Bách Khoa Hà Nội 24 b. Cm bin nhit in tr silic (bán dn) - Các vt liu bán dn rt nhy cm vi nhit . Do ó ngi ta dùng vt liu bán dn  ch to cm bin o nhit . - Silic tinh khit có h s nhit in tr  < 0, nhng khi c tác ng  mt di nhit  nào ó thì  > 0  < 200 0 C thì  > 0  > 200 0 C thì  < 0 [ ] 2 000T )TT(B)TT(A1RR −+−+= Trong ó : R 0 , T 0 là in tr, nhit   im chun (0 0 K) A = 0,007874 (K -1 ) B = 1,874.10 5 (K -2 ) c. Nhit in tr : - c ch to t các hn hp bán dn oxit dng tinh th. Các hn hp này  dng bt vi t l nht nh sau ó c nén nh dng thiêu kt  1000 0 C. - So vi các loi cm bin khác thì loi này có  nhy cao nht gp hàng chc ln so vi cm bin nhit in tr kim loi. - Gm 2 loi : + cm bin nhit in tr có  > 0 + cm bin nhit in tr có  < 0 3. Cm bin cp nhit ngu a. Cu to : gm 2 dây kim loi có bn cht hóa hc khác nhau c hàn kín vi nhau. b. Nguyên lý làm vic : da vào hiu ng nhit in, c hình thành t 2 c s là hiu ng Thomson và hiu ng Seebek. - Hiu ng Thomson : nu trong dây dn có 2 im nhit  khác nhau thì gia chúng có hiu in th hay sc in ng s, ch ph thuc bn cht vt dn và nhit  ca 2 im. - Hiu ng Seebek : nu mch in là 2 vt dn khác nhau c ni kín ti 2 im và gi  2 nhit  t 1 ,t 2 . Chúng to thành 1 cp nhit in, khi t 1  t 2 các in tích khuch tán sang nhau và to nên 1 sc in ng. Do ó trong mch có dòng in i. Khi t 1 = t 2 thì )t(e)t(e0)t(e)t(eE 2BA1AB2BA1ABAB − = ⇒ = + = Khi 21 tt ≠ thì )t(e)t(e)t(e)t(e)t(E 2AB1AB2BA1ABAB − = + = Nu consttt 02 == : )t(fC)t(e)t(E ABAB = − = vi )t(eC 0AB = Nh vy bng cách o sc in ng nhit E, ta xác nh c nhit  ca vt cn o. - S  u dây : 1 - Mi hàn làm vic ; 2-3 Mi hàn t do ; ĐH Bách Khoa Hà Nội 25 c – dây dn Hình 3a Hình 1b 1 - Mi hàn làm vic ; 2 Mi hàn t do ; 3 – 4 Mi hàn trung hòa ; c – dây dn c. o nhit  bng bán dn diode, tranzitor : - Dùng diode : mV C 3 B 2 A 1 t 0 t 0 mV A t 0 1 t 4 3 2 B C C ĐH Bách Khoa Hà Nội 26 Hình 2a Hình 2b - Dùng tranzitor Khi nhit  tng thì I tng, U tng. Qua U ta xác nh c nhit  - Di o : -50 0 C ÷ 150 0 C -  nhy : dt du s = (khong 2.5mV/ 0 C) 4. Cm bin quang o nhit  : - Ha k bc x (300 0 C ÷ 6000 0 C) o gián tip - Ha k quang hc (800 0 C ÷ 6000 0 C) - Ha k quang in (800 0 C ÷ 6000 0 C) 5. Nhit k áp sut (áp k nhit) : - Da vào s ph thuc ca áp sut làm vic ca các cht trong h thng vào nhit . Tùy theo trng thái làm vic ca các cht mà nhit k áp sut chia làm 2 loi : khí và lng - Di o : -150 0 C ÷ 600 0 C §4. Cm Bin V Trí Và Di Chuyn A – Khái nim chung : - Trong t ng iu kin làm vic xác nh v trí và di chuyn óng mt vai trò quan trng. Có 2 phng pháp c bn  xác nh v trí và di chuyn. - Phng pháp 1 : b cm bin cung cp tín hiu là 1 hàm ph thuc vào v trí ca vt (phn t ca c bn). Phn t này có liên quan n vt di chuyn cn xác nh. - Phng pháp 2 : ng vi 1 di chuyn c bn, b cm bin phát ra xung. Vic xác nh v trí ca vt c xác nh bng vic m s xung phát ra. - Các b cm bin có thông s là : R, L, C, M, E Ngoài 2 phng pháp trên còn có các phng pháp hin i hn : + phng pháp song àn hi t + phng pháp quang hc laser + phng pháp si quang I U I U ĐH Bách Khoa Hà Nội 27 B - Cm bin in tr : - nh ngha : cm bin in tr là cm bin mà ng lng u vào là các di chuyn c (thng hoc quay) còn ng lng u ra là s bin i in tr tng ng. - Phân loi : 3 loi + Cm bin in tr dây qun + Cm bin in tr tip xúc + Cm bin in tr bin dng 1.Cm bin in tr dây qun : - Cu to, nguyên lý làm vic ging nh mt bin tr iu chnh. ng lng u vào là ng lng vào tác ng trc tip vào tip im ng cm bin dn n tr s u ra cm bin bin i tng ng. Tip im ng cm bin có th chuyn ng thng hoc quay. Hình 1a Hình 1b - Cu to : gm 3 b phn chính + Khung qun dây : làm bng vt liu cách in chu nhit có tit din không i (tuyn tính) hoc thay i (phi tuyn) + Dây in tr : c s dng có in tr sut ln, ít b oxi hóa và h s nhit in tr  thp. Bên ngoài dây c ph mt lp sn cách in.  ln in tr dây ph thuc  chính xác ca cm bin. d = (0.03 ÷ 0.1)mm :  chính xác cao d = (0.1 ÷ 0.5)mm :  chính xác thp + Tip im ng : c làm bng vt liu dn in tt, chu mài mòn, có in tr bé x U v U r α U v U r [...]... kiểu vi sai : u2 w1 u1 W2 1 2 k.u 1 ku 2 Để U1 là hiệu điện áp thì 2 cuộn W1 đấu cùng cực tính , còn 2 cuộn W2 đấu cực tính u u1 0 u2 Khi ở vị trí giữa (1 2) thì Ur=0 Khi nắp dịch chuyển 1# 2 thì Ur # 0 càng lớn thì U1 càng lớn U1 = U2 Z1 i1 W 12 G1 2 = = Z 2 i2 W 22 G 2 1 U r = k (U1 U1 ) = kU ( G1 G2 ) = kU ( 2 1 ) G1 + G2 1 + 2 44 H Bỏch Khoa H Ni K= W2 W1 Suy ra : Ur (2 1) Nhận xét... đo lớn - t bị ảnh hởng do nhiệt độ - S biến đổi đo đợc :0. 01 5 mm - S biến đổi đo đợc :0.5 15 mm 2/ Cảm biến điện cảm kiểu biến áp (cảm biến hỗ cảm) -Cấu tạo :máy biến áp bình thờng -W1 đợc nối với nguồn -W0 đợc nối với dụng cụ đo Khác nhau là nắp mạch từ hoặc cuộn dây đợc gắn vào phần tử cần đo do đó khi phần tử chuyển động Ura biến đổi dựa vào Ura ta có thể xác định đợc vị trí của phần tử -Phân... +cảm biến nắp chuyển dịch , cuộn dây sơ cấp đứng yên + Cuộn dây chuyển động a) Cảm biến điện cảm nắp chuyển dịch , cuộn dây sơ cấp đứng yên 42 H Bỏch Khoa H Ni u1 zt w 1 w 2 d x u2 -tín hiệu đầu vào là các dịch chuyển thẳng , quay hoặc đo áp lực biến dạng kích thớc -tín hiệu ra là sự biến thiên U2 khi S biến thiên từ đó Z1 cũng biến đổi làm U1 cũng biến đổi dẫn tới U2 cũng biến đổi Z1=jwL1=... bin iu chnh vi sai 40 H Bỏch Khoa H Ni S2 S1 I2 I1 Uv Phần tử tự động I I1 It 0 s /2 s - ặc tính It dốc hơn và tuyến tính hơn do đó độ nhậy cao hơn 41 H Bỏch Khoa H Ni -lực hút điện từ tự động lên phần động chuyển biến bằng nhau về trị số nhng ngợc dấu triệt tiêu nhau s 2 -tại s= thì It=0 - Dấu của It phụ thuộc chiều chuyển động của nắp so với vị trí trung gian - ộ lớn của It thể hiện đợc sự chuyển... Z1=jwL1= w1à s 2 (2S hai khe hở ) Khi S thay đổi thì z cũng thay đổi Mà U = U1 + U r Với U U1 = Z1 Z1 + Z t W U 2 = 2 U1 W1 Từ đó suy ra : U1 thay đổi thì U 2 cũng thay đổi tơng ứng Và đặc tính vào ra Ura=f( ): u 0 43 H Bỏch Khoa H Ni Nhợc điểm : -do ảnh hởng Fđt tác động lên nắp gây ra sai số -Io# 0 - Dấu U1 không thay đổi để khác phục nhợc điểm này ngời ta sử dụng cảm biến điện cảm biến. .. - Dựa trên nguyên lí : cảm ứng điện từ là sự móc vòng của từ thông qua cuộn dây biến thiên nên suất điện động cảm ứng trên cuộn dây biến thiên tơng ứng s N s - phân loại : có 2 loại + cuộn dây dịch chuyển trong từ trờng +cuộn dây đứng yên , từ trờng biến thiên - ứng dụng :dùng làm cảm biến đo tốc độ chuyển động của phần tử - khi cuộn dây chuyển động nên x biến thiên từ đó suất điện động cũng biến. .. W2 W1 Suy ra : Ur (2 1) Nhận xét : định tính Ur=f() tuyến tính - Triệt tiêu lực hút điện từ tác dụng lên phần nắp động - Khi 1= 2= thì Ur=0 - Dấu của U2 và độ lớn phụ thuộc chiều chuyển động của nắp so với vị trung gian b) Cuộn dây chuyển động u1 u2 w 2 w2 w1 Thờng dùng đo chuyển thẳng và đo góc quay *Đo chuyển động thẳng : -Khi W2 chuyển dịch thẳng + ở vị trí cân bằng : Ur =0 (do từ thông chạy... loại 2 : = I1W1 Gà=I1W1à s l Ur-4,44f.W2=4,44.f W2 W1 I1.à s l Khi f thay đổi thì à thay đổi làm cho Ur cũng thay đổi s= à / à à / à = 10 0 l / l F / F 46 H Bỏch Khoa H Ni khi tăng độ nhạy và độ tuyến tính cảm biến thì mạch từ đợc chia làm bằng vật liệu dẫn từ tốt à lớn sai số : + do sự dao động của địên áp ngừôn +do hiện tợng trễ của vật liệu từ +ảnh hởng do nhiệt độ môi trờng 4) Cảm biến cảm ứng... gi l h s ti 27 R t 27 R0 I= 32 H Bỏch Khoa H Ni Nhn xột : amax ph thuc Rt suy ra nu Rt tng thỡ a gim v ngc li Do ú gim sai s phi tng Rt 1> 2> 3 Ur 1 2 Rt= Umax 3 x 2/ 3l Hỡnh 1. 12 Nh vy do nh hng ca Rt nờn c tớnh Ur = f(x) khụng phi l ng thng m l cỏc ng cong cú hỡnh dng ph thuc giỏ tr ca ti Do nh hng Rt cm bin cú sai s U Sai s cng ln khi Rt cng nh v ngc li a 3 2 1 2/ 3 l l x Hỡnh 1. 13 Ngoi 2 nguyờn nhõn... U0 x,r Ur Hỡnh 1. 3 U r0 = U0 x r = U 0 = s.x R0 l vi s l nhy 28 H Bỏch Khoa H Ni r= r l in tr tng ng vi dch chuyn x - Cm bin quay : U r0 = U0 = s. l max x R0 l c tớnh cm bin U tgx =s U0 0 l x Hỡnh 1. 4 Nhc im : c tớnh vo ra khụng i du ( khụng nhy cc tớnh ) - khc phc nhc im ny dựng cm bin in tr dõy qun cú cc tớnh Uv x Ur Hỡnh 1. 5 29 H Bỏch Khoa H Ni U 2 U0 /2 1 - l /2 l /2 x - U0 /2 Hỡnh 1. 6 Khi ú Ur = . mch có dòng in i. Khi t 1 = t 2 thì )t(e)t(e0)t(e)t(eE 2BA1AB2BA1ABAB − = ⇒ = + = Khi 21 tt ≠ thì )t(e)t(e)t(e)t(e)t(E 2AB1AB2BA1ABAB − = + = Nu consttt 02 == : )t(fC)t(e)t(E ABAB = − = . Hình 1. 7 - l /2 l /2 2 1 x U U 0 /2 - U 0 /2 U 0 U r R 0 R 1 ĐH Bách Khoa Hà Nội 31 - u im : tng  nhy cm bin, thay i du ca in áp ra. Trong quá trình làm vic. nó. 1. T bào quang in chân không : Hình 1a - Cu to : gm 1 bóng thy tinh c hút chân không có t anot và catot. ( p = 10 -6 ÷ 10 -8 mmHg ) ĐH Bách Khoa Hà Nội 21